SUMÁRIO I. PRINCÍPIOS BÁSICOS... 2

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1 SUMÁRIO I. PRINCÍPIOS BÁSICOS... 2 A MÁQUINA DE CORRENTE CONTÍNUA... 8 I ) INTRODUÇÃO:...8 II - PRINCÍPIO BÁSICO DE FUNCIONAMENTO... 8 II.1. ESPIRA GIRANTE EM UM CAMPO MAGNÉTICO UNIFORME...9 II.2 O PROCESSO DE COMUTAÇÃO II.2.1. ENROLAMENTO EM ANEL DE GRAMME...15 II.3. O PROCESSO DE COMUTAÇÃO EM MÁQUINAS C.C. SIMPLES DE QUATRO ESPIRAS...16 III - PROBLEMAS ASSOCIADOS À COMUTAÇÃO EM MÁQUINAS REAIS...18 III.1. REAÇÃO DE ARMADURA...19 TENSÕES L di dt...22 IV - SOLUÇÕES PARA O PROBLEMA DA COMUTAÇÃO...23 IV.1. DESLOCAMENTO DAS ESCOVAS...24 IV.2. INTERPOLOS OU PÓLOS DE COMUTAÇÃO...25 IV.3. ENROLAMENTO DE COMPENSAÇÃO

2 I. Princípios Básicos O campo magnético (e em casos especiais o campo elétrico ) é o elo principal através do qual do qual a energia é convertida da forma elétrica para a forma mecânica em motores e da forma mecânica para forma elétrica em geradores. É utilizado também em transformadores para mudança de níveis de tensão ( o transformador não é um dispositivo de conversão de energia ). Quadro princípios básicos descrevem como campos magnéticos são usados nestes dispositivos. I.1 - Um condutor sendo percorrido por uma corrente elétrica cria em torno de si um campo magnético (Lei de Ampère ). H. dl = J. da ( A integral do vetor intensidade do campo magnético escalar vetor deslocamento sobre um caminho fechado é igual ao somatório da corrente que atravessa a área circundada por este caminho ). Exemplos : s 2

3 2π.r.H H.l m =N.I I H = H N. = I 2π. r l med H ( ampère espira / metro ) H dá uma medida do esforço exercido pela corrente para estabelecer o campo magnético. Ni F _ Força magnetomatriz da bobina (em ampères espira ) B = µ H B densidade de fluxo magnético ( weber / m ) M permeabilidade magnética do meio. µ : representa a facilidade oferecida pelo material ao estabelecimento do fluxo magnético. µ o : permeabilidade magnética do vácuo (ar ) = 4π x 10-7 Henrys/m µ µ r = µ0 permeabilidade relativa Para aços e outros materiais usados na construção de máquinas. µr ± de 2000 a O fluxo magnético é dado por : φ = B. da s para B constante ( em módulo e direção )e perpendicular à e perpendicular á superfície : φ = BA φ medido em weber B = cte. 3

4 I.2. - Se um fluxo atravessa uma bobina com N espiras, nesta será induzida uma tensão proporcional á taxa de variação do fluxo no tempo ( ação de transformador ) - Lei de Faraday. e = N d φ( t ) ind dt sinal negativo resultado da lei Lei de Lenz I.3. - Um condutor ou bobina percorrida por uma corrente e colocada na presença de um campo magnético, fica sujeito a uma força ( princípio da ação de um motor elétrico ). i = corrente 4

5 F = i.( l B) l = vetor comprimento ( módulo = comprimento ) B = densidade de campo ( direção = de i ) I.4. - Uma tensão é induzida em um condutor ou bobina que se move na presença de um campo magnético. ( princípio da ação do gerador elétrico ) v = velocidade e = ind ( v B). l B = densidade de campo l = vetor comprimento ( mód. = comp. ) ( direção = da tensão + ) Estes 2 últimos princípios serão ilustrados analisando - se a máquina linear de corrente contínua. O que acontece neste circuito quando fechamos a chave? Partida da máquina c.c. linear. Inicialmente circula uma corrente I dada por : I = V B R Teremos então uma força atuante na barra dada por F = I( l B), que pela geometria e sentido da corrente tem módulo F = IBl e aponta para a direita. A barra então acelera ( lei de Newton ). A velocidade começando a crescer teremos na barra uma tensão induzida dada por e = ind ( v B). l que pela geometria é positiva no topo da barra e tem módulo. e ind = vbl Aparecendo esta tensão induzida a corrente no circuito diminui : I = V B e R ind 5

6 A força então diminuirá, visto que esta vale : F = I l Este processo continua até que, em condições finais de regime, tenhamos : a: 0 v :cte F : 0 I : 0 e ind : VB VB A velocidade de regime da barra é Vreg = Bl A máquina c.c. linear como motor. Vamos considerar que após a barra ter atingido o, regime, permanente, apliquemos uma força F carga contrária ao movimento. O que acontecerá? 1. Como agora F res =0, a velocidade varia, no caso diminuindo. VB eind 2. Como v, e ind = v Bl e, consequentemente, I = aumenta. R 3. Com esta corrente, aparece também uma força no condutor F = I Bl, no sentido do movimento, portanto contrária á carga. 4. Enquanto F carga > F, v diminui, e ind diminui, I aumenta, F aumenta até que F carga = F, quando então v estabiliza em um valor menor que o de regime v reg = VB Bl Este é precisamente o comportamento de um motor c.c. shunt. 6

7 A máquina c.c. como gerador. Voltemos novamente á condição de velocidade constante a vazio. Apliquemos uma Força F apl agora no sentido do movimento. O que acontecerá? 1. Como agora F res 0, v varia, no caso aumentado. 2. Com v, aumenta e, consequentemente teremos agora : e ind > V B e e ind VB I = R 3. Com esta corrente aparecerá no condutor uma força F = I l B, agora para esquerda. 4. Enquanto F < Fapl, v aumenta, e ind aumenta, I aumenta, e F aumenta até que F VB = F apl quando então v estabiliza em um valor maior que o valor Vreg = Bl Este é precisamente o comportamento de um gerador c.c. shunt. Exercício : a) Qual a corrente máxima de partida? Se esta corrente for demasiadamente alta para o circuito o que sugeriria fazer? b) Qual a velocidade de regime em vazio? c) Uma força de 30N é aplicada para a direita. Qual será a nova velocidade de regime? Que potência a barra estaria produzindo ou consumindo? A máquina é um motor ou um gerador? d) Considere agora que uma força de 30N tinha sido aplicada apontando para a esquerda. Qual a nova velocidade de regime? A máquina operará como motor ou gerador? e) Considere o sistema operando na condição (d) quando subitamente a barra entra em uma região onde o campo magnético é reduzido para 0,08 weber /m 2. Quais seriam? 1) Nova velocidade? 7

8 2) Nova força? 3) Nova corrente? 4) Nova e ind? 5) Nova potência gerada ou consumida? f) Curiosidade para os interessado. Admita que a barra tinha uma massa = 1 kg.. Pergunta - se : Como voê determina o tempo que seria gosto para a barra, partindo do repouso, atingir a velocidade de regime? Qual o espaço que seria percorrido? Pense. Agora calcule. A Máquina de Corrente Contínua I ) Introdução: Entende - se por máquina de corrente contínua aquela que trabalha com corrente e tensão continua em seus terminais. Em qualquer máquina elétrica ( exceto a máquina homopolar ), a conversão de energia da forma elétrica para forma mecânica ou vice - versa se processa por meio de grandezas alternadas, mas a máquina de corrente contínua possui um elemento chamado comutador, que retifica, através do movimento, as grandezas alternadas. Desta forma, este tipo de máquina quando observada de seus terminais de acesso apresenta características de corrente contínua. As máquinas c.c. foram as primeiras a serem construídas e, consequentemente, são as mais complexas. No entanto, estas máquinas são bastante versáteis, o que as torna ainda hoje bastante competitivas. A principal desvantagem é que invariavelmente possuem um custo inicial maior que as máquinas C. A. Outra desvantagem é a necessidade de uma manutenção mais freqüente devido à ação retificadora do comutador. A existência do comutador é fator característico das máquinas C.C. II - Princípio Básico de Funcionamento. 8

9 II.1. Espira girante em um campo magnético uniforme. Fig 1 Fig 2 As figuras (1) e (2) mostram uma bobina com N espiras girando entre duas faces polares planas, onde existe um campo magnético de densidade constante B. Pela lei de Faraday. e = N d φ b ind onde φ dt b é o fluxo que atravessa a bobina. φ b =B A efetiva = B A b cos θ = B 2rlcosθ onde: r- raio da bobina (m) l - comprimento da bobina (m) Ab - área da bobina (m 2 ) Aef.- área efetiva da bobina (m 2 ). ω - velocidade de giro (rad/s). Portanto: e = N d ( 2. Brl cos ω t ) ind dt e = 2 ind NBlr ω sen ω t, e E t ind = max sen ω onde:e máx =2NBlrω. inserir figura 3 9

10 Fig 4 10

11 Fig 5 A forma de onda é mostrada na figura (3). Na pratica, as máquinas C.C. reais possuem as faces polares curvadas como mostra a figura (4). Com esta construção, o lado da bobina desloca-se sob uma densidade de fluxo constante enquanto está sob as faces polares e não corta fluxo quando esta entre as faces polares. A tensão induzida em um condutor que se desloca em um campo magnético como foi apresentado no item I.4 é dada por: e ind = (VxB)l. Nesta espira teremos então: - lado ab e ind = vbl para dentro da pág. - sob a face polar 0 - entre os pólos. onde : v (m/s ) : velocidade mecânica B (wb / m 2 ) l (m ) - lado bc e ind = 0 - lado cd e ind = vbl para fora da pág. - sob a face polar. 0 entre os pólos. - lado da e ind = 0 portanto : e indres = 2 vbl - sob as faces polares. 0 entre os pólos. A fig. (6 ) mostra como fisicamente a tensão alternada gerada na bobina pode ser coletada:. Escovas fixas de carvão, grafite ou ligas metal-grafite deslizam sobre anéis de cobre presos ao eixo girante, nas quais estão ligadas eletricamente os terminais da bobina. 11

12 Fig 6 II.2 O Processo de Comutação. Fundamentos: Fig 6 a e 6 b Temos agora os dois terminais da bobina ligados a dois segmentos de anel de cobre isolados entre si, que são solidários ao eixo girante. Escovas de grafite fixas ficam apoiadas sobre estes segmentos. Se as escovas e os segmentos forem dispostos adequadamente, teremos, com a rotação do eixo, um processo de retificação da tensão alternada gerada. A comutação (inversão da ligação dos lados da bobina nas escovas) ocorre no instante em que a tensão na bobina se anula. Observe ainda que, neste instante, a bobina é curto-circuitada pelas escovas. Neste esquema de ligação devemos ter dois segmentos de comutador para cada bobina. 12

13 Fig 7 a Fig 7b Analisemos o caso de duas bobinas colocadas no rotor defasadas de 90º, como mostra a figura (8). 13

14 Neste caso se a tensão induzida na bobina aa` é : E aa`=e m senωt, a tensão induzida na bobina bb` será então E bb`=e m sen(ωt-90º) E bb`=e m cosωt. Ligando-se os quatro terminais destas duas bobinas a quatro segmentos de comutador como mostra a figura, teremos a comutação sendo realizada. Observe que no momento da comutação as bobinas aa` e bb` são ligadas em paralelo (em 45º.135º,225º e 315º). Neste caso, a tensão resultante nestes terminais das escovas é mais plana com menos oscilação.(fig.8) Se aumentarmos o número de bobinas, que deverão estar igualmente defasadas uma da outra, a tensão resultante tenderá para um valor constante, que no caso será Em. Podemos notar que este não é um processo eficiente de comutação, pois as bobinas estão isoladas entre si e cada uma só é utilizada durante uma fração de cada volta, fração esta igual a 360º/número de bobinas. Por exemplo, no caso de duas bobinas cada uma seria efetivamente utilizada durante 120º. Uma alternativa mais eficiente é a ligação das bobinas em série, obtendo-se nas escovas a soma das tensões e utilizando as bobinas durante todo tempo. Existem formas diferentes de ligação das bobinas entre si e ao comutador. As alternativas básicas para, ligação são : Enrolamentos em anel de Gramme # Não utilizada na pratica por também não ser muito eficiente. Enrolamento em tambor : - Enrolamento embricado (lap winding) - Enrolamento ondulado (wave winding) - Enrolamento perna de sapo (frog leg winding) ou auto equalizado. A análise dos tipos de enrolamento e suas características não são objetivo do curso, mas veremos alguns casos como exemplos. 14

15 II.2.1. Enrolamento em anel de Gramme A figura 9 mostra a estrutura da armadura (rotor) em anel de Gramme. As espiras são enroladas em torno de um núcleo, fechando o enrolamento sobre si mesmo. As espiras ou conjunto de espiras são ligadas ao segmento do comutador à distancias igualmente espaçadas (fig.10). Fig 9 Fig 10 Fig 10 a Fig 11 O caminho magnético para o fluxo é mostrado na figura onze. Pode-se então observar que os lados internos das espiras não são cortados pelo fluxo, e portanto neles é induzida nenhuma tesão. Somente os lados externos são ativos. Os lados internos apenas fazem a ligação em série das tensões induzidas nos lados externos. Todos os condutores sob o pólo norte possuem tensões induzidas de mesma polaridade e opostas ás tensões induzidas no condutores localizados sob o pólo sul. A figura 12 mostra um circuito equivalente para o circuito de armadura e a tensão resultante nas escovas. A armadura em anel de Gramme não é hoje em dia utilizado nas construções de máquinas C.C. porque mais da metade do cobre do enrolamento de armadura não é efetivamente ativo na geração de tensão, o que nos levaria a máquina volumosas e de baixo rendimento. Hoje em dia todas as máquinas C.C. possuem a armadura (rotor ) em tambor, como mostrado na figura 13. Neste tipo de estrutura os dois lados do bobina são ativos, e apenas as cabeças de bobina são ativas. 15

16 Como já foi dito anteriormente com armadura em tambor podemos ter rolamento do tipo embricado ou perna de sapo. Não entraremos em detalhes a respeito de características e estruturas construídas destes tipos de enrolamentos. Para os interessados, vide Eletric Machinery Fundamentals - Chapman - item 4-4 ou Máquinas Elétricas de Corrente Continua - Afonso Martignoni. II.3. O processo de comutação em máquinas C.C. simples de quatro espiras O processo de comutação é a parte mais crítica do projeto e operação de qualquer máquina C.C.. Analisaremos agora com mais detalhes o processo de comutação em máquinas reais ( armadura em tambor ) e os problemas a ele associados e como são na prática solucionados. Figs 14 a e b A figura 14 mostra uma armadura em tambor com quatro espiras colocadas em quatro ranhuras defasadas de 90º ( Enrolamento de dupla camada ), no sentido anti - horário e temos quatro segmentos de comutador ( a, b, c, d, ). A figura quatorze b mostra um diagrama esquemático da máquina com os valores e polaridades das tensões induzidas neste instante de tempo. Observamos que as bobinas 11`e 22`estão ligadas em série, da mesma forma que as bobinas 33`e 44`. Estes dois conjuntos estão ligados em paralelo. A tensão entre escovas neste instante é 2( 2 vbl ) = 4 vbl. 16

17 Figs 15 a e b A figura15 a mostra a mesma máquina em ωt = 45º, e a figura quinze b. o diagrama esquemático. Observe que tanto as bobinas quando os anéis de comutador giraram de 45º. Neste instante, as espiras 11`e 33`estão entre as faces polares e, portanto como vimos anteriormente v 11 + v 33 = 0. As tensões v 22 e v 44 são 2vBl e estas duas bobinas estão ligadas em paralelo. A tensão entre as escovas vale 2vBl. Observe que neste instante as escovas estão curto - circuitando as bobinas 11`e 33`, mas a tensão induzida nelas é nula, não trazendo problemas a isto associados. A figura 16 a. mostra a máquina em ωt = 90 o e a figura 16 b. o diagrama esquemático neste instante. Observe que agora as bobinas 22`e 33`estão ligadas em série, da mesma forma que as bobinas 11`e44`. Estes dois conjuntos estão ligados em paralelo. A tensão entre as escovas neste instante vale novamente 2(2vBl)=4vBl. Figs 16 a e b Observando-se a polaridade das tensões induzidas concluímos que sempre a escova da esquerda será positiva em relação à direita. A forma de onda resultante está na fig

18 Fig 17 Observamos que com este esquema de ligação estamos obtendo somatório de tensões geradas nas espiras e que todos os lados das bobinas estão a todo instante sendo utilizadas para a geração de tensões (exceto no momento que estas estão sob as faces polares.) Em máquinas reais, esta é uma das formas possíveis de ligação. Na prática, entretanto, utiliza-se um n.º muito maior de bobinas, preenchendo-se toda a periferia do rotor (armadura).isto evidentemente implica em um número também muito maior de segmentos de comutador. veja figuras 18 e 19. Fig 18 Fig 19 Como conseqüência teremos uma tensão resultante de saída praticamente constante. A tensão induzida em cada lado de bobina (condutor ) vale vbl. 4 bobinas c = 4. 1 espira por bobina Nc =1 8 condutores na armadura Z = 8 (Z=2cNc) 4 condutores (2 bobinas ) ligados em série z = 4 2 caminhos de corrente (ligados em paralelo) a = 2 Z Observe que z = a III - Problemas Associados à Comutação em Máquinas Reais 18

19 O processo de comutação não é tão simples na prática como foi descrito anteriormente na teoria. Dois efeitos principais ocorrem na realidade, que vêm modificar as condições definidas. Estes 2 efeitos são: 1. Reação de armadura 2. Tensões L di dt III.1. Reação de Armadura Se enrolamentos de campo da máquina c.c são ligados a uma fonte c.c, e o eixo do rotor (armadura) é posto a girar por ação de uma fonte mecânica (turbina, etc.), então teremos uma tensão alternada induzida nos enrolamentos da armadura (rotor). Esta tensão será retificada por ação do comutador, estando presente nos terminais da armadura (escovas) uma tensão contínua. Fig. 20 Fig 20 a Fig 20 a Considere agora que uma carga seja ligada ao terminais da armadura. Teremos então uma corrente circulante pelos enrolamentos de armadura, a qual produzirá um campo magnético próprio. Este campo magnético da armadura irá enfraquecer e distorcer o campo magnético original criado pelos pólos da máquina. Este enfraquecimento e distorção que ocorrem no fluxo da máquina quando se liga uma carga é chamado reação de armadura. A reação de armadura causa 2 sérios problemas em máquinas reais: a) Deslocamento do plano magnético neutro b) Enfraquecimento do fluxo a) Deslocamento do plano magnético neutro Observe as figs. 21 (a), 21 (b) e 21 (c). Fig 21 a Fig 21 b Fig 21 c 19

20 Fig 21 d Fig 21 e Fig. 21 (a) Mostra a distribuição do fluxo magnético com apenas o campo principal excitado. O plano magnético é definido como sendo o plano dentro da máquina no qual a velocidade dos condutores do rotor é paralela às linhas de fluxo, de forma que nestes condutores e ind = 0. Fig. 21 (b) Mostra a distribuição do fluxo produzido somente pela corrente de armadura quando a máquina está alimentando uma carga. Observamos que esta corrente cria um campo que está em quadratura (perpendicular) ao campo principal. Fig. 21 (c) Mostra a composição de 2 fluxos, ou seja, a distribuição do fluxo resultante na máquina. Pode ser observado que agora o plano neutro foi deslocado no sentido da rotação, saindo da posição vertical. Na verdade, o plano neutro desloca-se no sentido da rotação quando a máquina opera como gerador e em sentido contrário à rotação quando a máquina opera como motor. O deslocamento do plano neutro quando a máquina alimenta uma carga traz um problema para a comutação. Como foi visto anteriormente, deve-se efetuar a comutação (inversão de polaridade), quando a tensão na bobina é nula, ou seja, quando ele está no plano neutro. Isto porque no momento da comutação a bobina é curto-circuitada. Quando a máquina esta alimentando uma carga, existe um deslocamento do plano neutro devido à reação de armadura e se as escovas são mantidas na posição correspondente ao plano magnético neutro sem carga, elas estarão curto-circuitando bobinas nas quais a tensão não é nula. O resultado disto é que teremos então uma corrente circulando na bobina na hora da comutação e centelhamento nas bordas das escovas no comutador ocorrerá quando o caminho para esta corrente for interrompido vide fig. 21 (d) e 21 (e). Pode-se ainda atingir um caso extremo. O centelhamento geralmente ioniza o ar próximo às escovas no comutador. Lembrando que existe uma distribuição não uniforme de fluxo sob o sapato polar (fig. 21 c), as tensões induzidas nas bobinas, ao passarem pela região de maior densidade, pode ter valor suficiente para romper um arco entre as lâminas do comutador às quais está ligada, e sustentá-lo. Este fato pode facilmente estender-se para todo o comutador formando um anel de fogo (flashover). A máxima tensão entre segmentos adjacentes é da ordem de 30 a 40 V, o que limita o valor médio de tensão entre lâminas e, consequentemente, o número máximo de segmentos para um dado projeto. 20

21 O centelhamento nas escovas e no comutador causado pelo deslocamento do P.M.N traz sérios problemas: Diminuição drástica da vida útil da escova, estragos no comutador e consequentemente um grande aumento nos custos de manutenção. Observe ainda que para cada carga teremos uma posição diferente para o plano neutro. Um outro problema causado pela reação de armadura é o enfraquecimento do fluxo resultante do entreferro. Este fato pode ser observado nas figs. 22 (a), 22 (b), 22 (c) e 22 (d). b) Enfraquecimento do fluxo no entreferro Figs 22 a,22 b e 22 c A fig. 22 (a) mostra uma retificação da estrutura de uma máquina c.c, com os caminhos do fluxo do campo principal (φ p ) e do fluxo de reação de armadura ( ) φ a. Pode-se observar que o fluxo de reação de armadura percorre um caminho de relutância muito maior que a relutância oferecida pela máquina ao fluxo do campo (fig. 21 (a) e 21 (b) ). A fig. 22 (b) mostra graficamente a f.m.m do campo e da armadura (Lembre-se que F = Ni e que o número efetivo de espiras do enrolamento de armadura cresce quando nos aproximamos da linha interpolar). As figs. 22 (c) e 22 (d) mostram curvas da f.m.m resultante e da densidade de fluxo resultante no interferro. A maioria das máquinas c.c operam com densidades de fluxo próximas ao ponto de saturação. Portanto, nos locais sob as faces polares onde a f.m.m. da armadura é aditiva com a do campo, ocorre apenas um pequeno acréscimo da densidade de fluxo. Por outro lado, nos locais sob as faces polares onde as f.m.m. do campo e armadura se subtraem, existe um decréscimo proporcional na densidade de fluxo. Como resultado a densidade média de fluxo 21

22 sob as faces polares é reduzida. (o fluxo resultante é proporcional à área sob a curva da densidade de fluxo e é também enfraquecido). Como consequência natural deste fato temos os seguintes problemas: Em geradores o decréscimo da densidade média de fluxo resultante sob os pólos provoca uma diminuição da tensão gerada (e ind = v.b.l). Em motores C.C. vimos que uma diminuição da densidade de fluxo pode causar um aumento da velocidade (vide exercício do cap. I item d). Este aumento de velocidade pode corresponder a um aumento da carga no motor, o que causaria um maior enfraquecimento do fluxo, novo aumento da velocidade até uma situação na qual o motor seria desligado automaticamente pela proteção ou continuaria aumentando a velocidade até se auto-destruir. Tensões L di dt O segundo problema principal da comutação é a ocorrência de tensões L di que dt ocorrem nos segmentos do comutador que estão sendo desligados das escovas, algumas vezes chamado choque indutivo. Para entender este problema observe a fig. 23. Esta fig. representa uma retificação da armadura (rotor) da máquina c.c de 4 espiras utilizada na análise da comutação feita no item II.3. (vide fig. 14 b, 15 b e 16 b). Fig 23 Admitia que a corrente na escova seja 400 A. Então a corrente em cada caminho ( e portanto em cada bobina) será 200 A. Observe que a corrente na bobina considerada inverte-se em um intervalo de tempo necessário para um segmento do comutador passar sobre a escova. Considerando que a máquina esteja girando a 800 RPM e que possua 50 segmentos no comutador (números 22

23 razoáveis para motores e geradores típicos), então o tempo necessário para um segmento mover-se sobre uma escova será 0,0015 seg.. Cada volta corresponde a 50 segmentos do comutador. Então segmentos em 1 seg.. 60 Portanto neste caso a corrente na bobina variará de +200 A a -200 A, ou seja de 400 A em 0,0015 seg.. Isto nos dá um valor médio de di dt de: di dt 400A = = A 0, 0015seg seg Existindo então qualquer pequena indutância própria na bobina (e existe na prática) uma considerável tensão v = L di será induzida na bobina. Esta f.e.m. induzida que se opõe dt à inversão de corrente faz com que, durante o curto, uma componente adicional de corrente circule na bobina, componente esta que é interrompida quando da abertura do curtocircuito, resultando nos mesmos problemas de centelhamento causados pelo deslocamento do plano magnético neutro. Em Resumo: Problemas que ocorrem na comutação real: a) Causados pela reação de armadura deslocamento do plano magnético neutro. provoca centelhamento: - desgaste na escova, no comutador. - maior manutenção enfraquecimento do fluxo: - queda da tensão nos geradores. - variações de velocidade indesejáveis nos motores. b) Causados pelas tensões L di dt Centelhamento na hora da comutação: desgaste nas escovas e no comutador. pode provocar o anel de fogo (flashover). IV - Soluções para o Problema da Comutação Três alternativas básicas foram desenvolvidas para parcialmente ou completamente corrigir os problemas de comutação causados pela reação de armadura e pela tensão L di dt : a) Deslocamento das escovas b) Interpolos ou também chamados pólos de comutação 23

24 c) Enrolamento compensador IV.1. Deslocamento das escovas Esta apresentou-se inicialmente como a solução natural para resolver o problema de centelhamento na comutação, provocado pelo deslocamento do P.M.N.. Se a máquina sob carga tem o seu plano neutro deslocado poderíamos também deslocar as escovas para nova posição do plano neutro. Isto certamente reduziria drasticamente o problema do centelhamento, mas traria consigo outros inconvenientes: a) Como o fluxo de reação de armadura e, consequentemente, a posição do plano neutro é função de carga, teríamos que estar constantemente ajustando a posição das escovas em função das variações de carga, o que do ponto de vista operacional é um sério inconveniente. b) O deslocamento de escovas embora possa melhorar o problema do centelhamento, agrava o problema do enfraquecimento do fluxo do entreferro (efeito desmagnetizante de reação de armadura). Isto pode ser observado nas figs. 24 a e 24. b. Fig 24 a e b Pela Lei de Faraday, todos os condutores sob o pólo norte terão f.e.m. induzidas de mesma polaridade, e todos os de baixo do pólo sul terão f.e.m induzidas de polaridade oposta. Se as escovas estiverem deslocadas para uma nova posição, a lei de Faraday não se aplica mais para a corrente. Se as escovas estiverem no plano neutro a vazio, a lei de Faraday será válida para as correntes. No caso das escovas deslocadas, os circuitos em paralelo são ditados pela posição das escovas e o sentido da corrente é o mesmo para todos 24

25 os condutores de cada um dos circuitos em paralelo. Portanto todos os condutores localizados entre 2 escovas de polaridades opostas conduzem corrente num mesmo sentido. A fig.24 b mostra as f.m.m do pólo e da armadura, com as escovas deslocadas. Observa-se que, neste caso, a f.m.m da armadura possui uma componente que opõe diretamente a f.m.m do campo, o que vem agravar ainda mais o problema do enfraquecimento do fluxo causado pela saturação mencionado anteriormente. O deslocamento de escovas foi muito usado no passado (até 1910/1915). Hoje em dia é utilizado somente em motores muito pequenos, que giram sempre em um mesmo sentido (solução mais econômica para pequenos motores). IV.2. Interpolos ou pólos de comutação Face às 2 desvantagens acima apresentadas (agravamento do problema de enfraquecimento do fluxo no entreferro e necessidade constante de ajuste da posição das escovas) outra alternativa foi desenvolvida para minimizar o problema do centelhamento na comutação são os chamados interpolos ou pólos de comutação. São pequenos pólos localizados na linha mediana entre os pólos principais, exatamente sobre as bobinas que estão em processo de comutação. Vide figs. 25 e 26. Fig 25 Fig 26 A finalidade destes pólos é criar um fluxo que cancele o fluxo resultante do efeito da reação de armadura e L di sobre as bobinas que estão sob comutação. Desta forma a dt tensão resultante sobre estas bobinas é anulada, eliminando-se assim o problema de centelhamento nas escovas. Estes interpolos são de tamanho reduzido porque precisam anular apenas o fluxo sob poucos condutores que estão em processo de comutação. a polaridade é facilmente determinada visto que o fluxo criado deve se opor ao fluxo de reação de armadura. Outro fato que deve ser observado é que os interpolos devem cancelar o fluxo de reação de armadura e L di para todos os valores de carga. Portanto, como estes fluxos são dt essencialmente proporcionais à corrente de armadura nesta posição (alta relutância), as 25

26 bobinas dos interpolos devem também ser percorridas pela corrente de armadura, ou seja, as bobinas dos interpolos devem estar ligadas em série com os enrolamentos de armadura. O uso de interpolos é muito comum, porque corrigem os problemas de centelhamento a baixo custo. São encontrados em quase todas as máquinas de 1 HP ou mais. Entretanto é importante observar que a ação dos interpolos não chega a influenciar a distribuição do fluxo sob as faces polares e, portanto, o problema de enfraquecimento do fluxo ainda está presente. Muitas máquinas de médio porte para aplicações gerais possuem apenas os interpolos, e convivem com o problema de enfraquecimento de fluxo. Fig 27 IV.3. Enrolamento de Compensação Entretanto, para máquinas maiores, sujeitas a elevadas sobrecargas, cargas rapidamente variáveis (por exemplo motores de laminadores de aço), ou ainda máquinas que operam com campo principal reduzido, o enfraquecimento do fluxo principal pode ser um sério problema, já discutido anteriormente. Com cargas rapidamente variáveis podemos ter altas tensões induzidas nas bobinas de armadura e, consequentemente, entre lâminas do comutador, tensões estas associadas ao aumento e diminuição do fluxo de armadura. Ainda com elevadas sobrecargas, o fluxo de reação de armadura sendo também consideravelmente elevado sob as faces polares e tensões elevadas podem estar presente nas bobinas quando passarem sob a região de maior densidade de fluxo. Nos dois casos a tensão pode ser suficiente para romper um arco entre lâminas e facilmente formar o anel de fogo (flashover). Sob estes aspectos, o interpolo é totalmente inoperante, visto que atua apenas sob as bobinas em comutação. Para amenizar estes problemas, são utilizados os enrolamentos de compensação, que são encaixados em ranhuras localizadas nas faces polares, como mostra a fig. 28 a. Este enrolamento tem como objetivo neutralizar a f.m.m. da armadura sob as faces polares. 26

27 Podemos observar que este enrolamento compensador tem o mesmo eixo do enrolamento de armadura. Se ele possuir um número apropriado de espiras e polaridade conveniente quando for percorrido pela corrente de armadura irá neutralizar quase completamente a f.m.m da armadura sob as faces polares para qualquer carga. Portanto o enrolamento compensador é também ligado em série com o enrolamento de armadura. Fig 28 O restante da f.m.m de armadura (± 20 a 30%) e da f.e.m L di devem ser dt neutralizados pelos interpolos. Todos os motores que usam enrolamentos compensadores possuem também interpolos porque os enrolamentos compensadores não atuam sobre a f.e.m L di dt. A principal desvantagem dos enrolamentos compensadores é o seu alto custo, só devendo ser utilizado quando extremamente necessário. A fig. 29 mostra um diagrama esquemático de uma máquina com interpolos e enrolamentos compensadores. Fig 29 A fig. 30 mostra os aspecto construtivo do estrator de uma máquina c.c. de 6 pólos, com interpolos e enrolamentos compensadores. 27

28 Fig 30 Fig 31 Fig 32 Fig 33 28

29 Fig 35 Fig 36 29